CN108711682A - 一种可重构智能天线及其重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构智能天线及其重构方法，所述系统包括类球形天线阵列、射频收发设备和信号预处理设备；所述类球形天线阵列包括多个天线阵元、所述射频收发设备包括多个射频收发组件；天线阵元与射频收发组件数目相同且一一对应连接；所述信号预处理设备包括数字波束成形处理单元、天线重构管理单元、多个数字极化重构单元和多个数字化处理单元；类球形天线阵列的形状包括但不限于球形、半球形、半球形与柱形结合、平滑曲面以及多边形拼接成的网格曲面。本发明基于外部的控制命令，能够对天线的覆盖空域、波束数量、工作频率、方向图、极化模式和工作模式进行重构，以适应不同情况下的数据传输需求，在无线网络体系中具有良好的应用前景。

Description

一种可重构智能天线及其重构方法

技术领域

本发明涉及智能天线，特别是涉及一种可重构智能天线及其重构方法。

背景技术

随着科学的发展和社会的进步，无线网络逐渐进入社会生活、工作的各个领域，目前世界上存在着多种无线电网络体系，例如：移动通信网、导航网、测控网等，为人们的生活、工作、出行，以及工业监控、探测等提供了巨大的便利。

在无线网络体系中，智能天线有着非常广泛的应用，无线网络体系中，采用的天线种类很多，有全向天线、定向天线、单波束天线、多波束天线、机械天线、相控阵天线；但是，其中大多数天线为系统定制，天线覆盖范围、方向图固定，因此，难以适应未来智能信息网络中，各种用户终端的不同传输需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可重构智能天线及其重构方法，能够在工作过程中，基于外部的控制命令，对天线的覆盖空域、波束数量、工作频率、方向图、极化模式和工作模式进行重构，以适应不同情况下的数据传输需求，进而使得智能天线多功能化，在无线网络体系中具有良好的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可重构智能天线，包括类球形天线阵列、射频收发设备和信号预处理设备；所述类球形天线阵列包括多个双极化天线阵元、所述射频收发设备包括多个射频收发组件；双极化天线阵元与射频收发组件数目相同且一一对应连接；

所述信号预处理设备包括数字波束成形处理单元、天线重构管理单元、多个数字极化重构单元和多个数字化处理单元；所述数字化处理单元与射频收发组件与射频收发组件数目相同且一一对应连接，每一个数字化处理单元均对应一个数字极化重构单元，且通过对应的数字极化重构单元连接到数字波束成形处理单元；所述天线重构管理单元分别与波束成形处理单元、射频收发组件和数字极化重构单元连接；

所述天线重构管理单元，用于接收外部信号处理机的管理控制命令，对智能天线的覆盖空域、波束数量、工作频率、方向图、极化模式和工作模式进行重构控制；

所述射频收发组件，根据天线重构管理单元的指令，进行射频收发切换和选频滤波，实现工作模式和工作频率的重构；

所述数字波束形成处理单元，根据天线重构管理单元的指令，实现收发波束的数量重构、方向图重构和覆盖空域重构，并在不同的工作模式下对波束的相位参数进行数字补偿；

所述数字极化重构单元，根据天线重构管理单元的指令，在进行信号发送或信号接收时，于数字域完成对波束的极化方式重构，并选择一种极化方式进行信号输出，实现极化方式的重构。

所述的一种可重构智能天线的重构方法，包括以下步骤：

天线重构管理单元接收外部信号处理机的管理控制命令；

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，并根据解析结果进行智能天线重构，所述的智能天线重构包括：覆盖空域重构步骤S1、天线工作模式重构步骤S2、工作频率重构步骤S3、波束数量重构步骤S4、数字极化重构步骤S5和数字波束方向图重构步骤S6。

本发明的有益效果是：本发明能够在工作过程中，基于外部的控制命令，对天线的覆盖空域、波束数量、工作频率、方向图、极化模式和工作模式进行重构，以适应不同情况下的数据传输需求，进而使得智能天线多功能化，在无线网络体系中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为射频通道单元的原理框图；

图3为工作频率重构单元的原理框图；

图4为本发明的方法流程图；

图5为天线覆盖空域的重构示意图；

图6为实施例中接收极化处理单元的原理框图；

图7为实施例中发射极化处理单元的原理框图；

图8为实施例中天线状态跳转图；

图9为实施例中可重构天线工作状态工作流程图；

图10为实施例中基于栅瓣性能的收发状态重构；

图11为实施例中基于合成增益均衡的收发状态重构。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种可重构智能天线，其特征在于：包括类球形天线阵列、射频收发设备和信号预处理设备；所述类球形天线阵列包括多个双极化天线阵元、所述射频收发设备包括多个射频收发组件；双极化天线阵元与射频收发组件数目相同且一一对应连接；

所述信号预处理设备包括数字波束成形处理单元、天线重构管理单元、多个数字极化重构单元和多个数字化处理单元；所述数字化处理单元与射频收发组件与射频收发组件数目相同且一一对应连接，每一个数字化处理单元均对应一个数字极化重构单元，且通过对应的数字极化重构单元连接到数字波束成形处理单元；所述天线重构管理单元分别与波束成形处理单元、射频收发组件和数字极化重构单元连接；

所述天线重构管理单元，用于接收外部信号处理机的管理控制命令，对智能天线的覆盖空域、波束数量、工作频率、方向图、极化模式和工作模式进行重构控制；

所述射频收发组件，根据天线重构管理单元的指令，进行射频收发切换和选频滤波，实现工作模式和工作频率的重构；

所述数字波束形成处理单元，根据天线重构管理单元的指令，实现收发波束的数量重构、方向图重构和覆盖空域重构，并在不同的工作模式下对波束的相位参数进行数字补偿；

所述数字极化重构单元，根据天线重构管理单元的指令，在进行信号发送或信号接收时，于数字域完成对波束的极化方式重构，并选择一种极化方式进行信号输出，实现极化方式的重构。

在本申请的实施例中，所述信号预处理设备还包括数据接口和时钟单元，所述数据接口，用于供数字波束成形处理单元连接外部信号处理机，实现数字波束成形处理单元与外部信号处理机的数据交互；所述时钟单元，分别与射频收发设备和信号预处理设备连接，用于完成外部参考时钟的接收，并产生所需要的收发本振、采样时钟以及系统处理时钟。

在本申请的实施例中，所述类球形天线阵列包括但不限于球形天线阵列、半球形天线阵列、半球形与柱形结合的天线阵列、平滑曲面天线阵列以及多边形拼接成的网格曲面天线阵列；所述类球形阵列天线包括类球形阵面和多个天线阵元，用于实现对全空域(俯仰0°到90°，方位0°到360°)或部分空域无线信号的接收或发射。

其中，所述天线重构管理单元包括：指令解析模块，用于接收和解析外部信号处理机的管理控制命令，生成天线覆盖空域重构控制指令、波束数量重构控制指令、工作频率重构控制指令、方向图重构控制指令、极化模式重构控制指令和工作模式重构控制指令；工作模式重构管理模块，用于将工作模式重构控制指令发送给射频收发设备中的各个射频收发组件，控制各射频收发组件的射频收发切换，从而控制整个天线阵列和射频收发设备的工作模式，同时将工作模式重构控制指令发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元在不同工作模式下对波束的相位参数进行数字补偿；工作频率重构管理模块，用于将工作频率重构控制指令发送给射频收发设备中的各个射频收发组件，在射频收发组件中基于选频滤波进行工作频率重构进行控制；波束数量重构管理模块，用于将波束数量重构控制指令发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元对不同波束的幅相加权系数进行配置和选择，同时分配对应波束加权处理所需资源，实现波束数量的重构和扩展；方向图重构管理模块，用于将方向图重构控制指令发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元对不同波束进行数字移相处理，并选择天线阵元进行射频收发，实现方向图重构；天线覆盖空域重构管理模块，用于将方向图重构控制指令发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元对类球型天线阵列的天线阵元进行选通，实现全空域或部分空域的信号收发，完成天线覆盖空域的重构；极化模式重构管理模块，用于将极化模式重构指令发送给数字极化重构单元，控制数字极化重构单元实现极化方式的重构。在本申请的实施例中，由于天线阵元、射频收发组件、数字化处理单元、数字极化处理单元的一一对应关系，故只需要选通相应的数字极化单元，即可选通对应数字化处理单元、射频收发组件和对应天线阵元的收发通路。

其中，所述射频收发组件包括射频通道单元和工作频率重构单元，所述双极化天线阵元依次通过对应射频收发组件的射频通道单元和工作频率重构单元与数字化处理单元连接；所述天线重构管理单元分别与射频收发组件的射频通道单元和工作频率重构单元连接，实现射频通道的收发切换控制和工作频率重构控制；

如图2所示，所述射频通道单元包括射频发射通道、射频接收通道、第一收发切换模块和第二收发切换模块，所述射频发射通道的输入端通过第二收发切换模块连接工作频率重构单元，射频发射通道的输出端通过第一收发切换模块连接天线阵元；所述射频接收通道的输入端通过第一收发切换模块连接天线阵元，射频接收通道的输出端通过第二收发切换模块连接工作频率重构单元；所述天线重构管理单元分别与第一收发切换模块和第二收发切换模块连接，实现射频收发切换控制；

如图3所示，所述工作频率重构单元包括第一滤波选择模块、第二滤波选择模块、陷波滤波器组和子带滤波器组，所述子带滤波器组包括多个不同频带的子带滤波器，所述陷波滤波器组包括两个陷波滤波器，其中一个陷波滤波器用于在射频接收过程中，对发射频段进行抑制，另一个陷波滤波器用于在发射过程中，对接收频段进行抑制；每一个所述陷波滤波器和子带滤波器均通过第一滤波选择模块与射频通道单元连接，每一个所述陷波滤波器和子带滤波器还通过第二滤波选择模块与数字化处理单元连接；所述天线重构管理模块分别与第一滤波选择模块和第二滤波选择模块连接，实现陷波滤波器和各子带滤波器的选择控制。

所述数字化处理单元包括ADC模块和DAC模块，所述ADC模块的输入端与对应射频收发组件中的工作频率重构单元连接，ADC模块的输出端与对应的数字极化重构单元连接；所述DAC模块的输入端与对应的数字极化重构单元连接，DAC模块的输出端与对应射频收发组件中的工作频率重构单元连接。

如图4所示，所述的一种可重构智能天线的重构方法，包括以下步骤：

天线重构管理单元接收外部信号处理机的管理控制命令；

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，并根据解析结果进行智能天线重构，所述的智能天线重构包括：覆盖空域重构步骤S1、天线工作模式重构步骤S2、工作频率重构步骤S3、波束数量重构步骤S4、数字极化重构步骤S5和数字波束方向图重构步骤S6。

所述的覆盖空域重构步骤S1包括：

天线管理重构单元对管理控制命令进行解析，得到天线覆盖空域重构控制指令，确定所需的天线阵元数目和区域，对类球型天线阵列的相应天线阵元进行选通，实现全空域或部分空域的信号收发，完成天线覆盖空域的重构；如图5所述，为覆盖空域重构示意图。

在本申请的实施例中，类球形阵列天线包括类球形阵面和多个宽带天线阵元，每个天线阵元与收发组件一一对应连接，在所有阵元同时在线工作的情况下，天线覆盖范围为全空域，即(俯仰0°到90°，方位0°到360°)，当知道目标活动空域时，外部信号处理机可根据目标位置，计算出目标天线波束在球面的投影，进而计算出可球面有效天线阵元数目和区域，再生成控制指令，发送给天线重构管理单元，实现天线覆盖空域的重构。

所述天线工作模式重构步骤S2包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成通道收发切换的控制指令，发送给射频收发组件中的射频切换开关，控制所有射频收发组件进行收发切换，进而使得整个天线阵列和射频收发设备在TDD(时分双工)工作模式和FDD(频分双工)工作模式进行工作：

TDD工作模式下：在同一时刻，天线重构管理单元控制所有的射频收发组件处于相同的收发状态，所述相同的收发状态，即所有射频收发组件同时处于射频发射状态，或所有射频收发组件同时处于射频接收状态；由于天线阵元与射频收发组件数目相同且一一对应连接，故所有天线阵元也处于相同的收发状态；

FDD工作模式下：在同一时刻内，天线重构管理单元控制一部分射频收发组件处于射频发射状态，对应的一部分天线阵元也工作在发射模式；另一部分射频收发组件处于射频接收状态，对应的另一部分天线阵元也工作在接收模式；

所述的工作频率重构步骤S3包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成工作频率重构的控制指令，发送给每一个射频收发组件中的工作频率重构单元，在TDD工作模式和FDD工作模式下，控制工作频率重构单元完成工作频率的重构：

TDD工作模式下，天线重构管理单元控制所有射频收发组件，在工作频率重构单元中选通相同频率的子带滤波器，完成信号的滤波；

FDD工作模式下，天线重构管理单元控制射频接收状态和发射状态下的射频收发组件，在工作频率重构单元中选通陷波滤波器，对收发通道之间的干扰进行抑制；

也就是说，在TDD工作模式时选通子带滤波器组中的某一频带的子带滤波器，进行选频滤波，在FDD工作模式时选通陷波滤波器，以实现收发通道之间的干扰抑制。

所述波束数量重构步骤S4包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成波束数量重构指令，发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元对不同波束的幅相加权系数进行配置和选择，同时分配对应波束加权处理所需资源，实现波束数量的重构和扩展；述波束加权处理所需资源包括加法器和乘法器构成的硬件逻辑资源；

所述数字极化重构步骤S5包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成数字极化重构控制指令，发送给数字极化重构单元，控制数字极化重构单元在进行信号发送或信号接收时，于数字域完成对波束的移相合成和极化控制，并选择一种极化方式进行信号输出，实现极化方式的重构；

不同波束的天线阵元中，可以任意选择一种极化方式进行信号输出，实现极化方式重构。

在本申请的实施例中，所述数字极化重构单元由发射极化重构单元和接收极化重构单元构成：

如图6所示，所述接收极化重构单元包括：第一极化控制模块、第一复系数FIR滤波器、第二极化控制模块、第二复系数FIR滤波器、接收极化形成模块和接收极化选择模块；

所述第一极化控制模块接收ADC模块转换后的天线垂直极化信号，并将天线垂直极化信号转换为I/Q两路信号，第一极化控制模块的I路信号输出端依次通过低通滤波器一、抽取滤波器一和第一复系数FIR滤波器，输出天线垂直极化的I路信号给接收极化形成模块；第一极化控制模块的Q路信号输出端依次通过低通滤波器二、抽取滤波器二和第一FIR复系数滤波器，输出天线垂直极化的Q路信号给接收极化形成模块；

所述第二极化控制模块接收ADC模块转换后的天线水平极化信号，并将天线水平极化信号转换为I/Q两路信号，第二极化控制模块的I路信号输出端依次通过低通滤波器三、抽取滤波器三和第二复系数FIR滤波器，输出天线水平极化的I路信号给接收极化形成模块；第二极化控制模块的Q路信号输出端依次通过低通滤波器四、抽取滤波器四和第二复系数FIR滤波器，输出天线水平极化的Q路信号给接收极化形成模块；

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成数字极化重构控制指令，分别发送给第一极化控制模块和第二极化控制模块，以实现在I/Q信号转换控制的同时，对天线垂直极化信号与天线水平信号之间的相位差进行控制，进而实现天线在数字域的接收极化重构。

其中，所述的接收极化形成模块包括加法器一和加法器二；所述加法器一的输入端分别接入天线垂直极化I路信号和天线水平极化I路信号，加法器一的输出端与接收极化选择模块连接；所述加法器二的输入端分别接入天线垂直极化Q路信号和天线水平极化Q路信号，加法器二的输出端与接收极化选择模块连接。

如图7所示，所述发射极化重构单元包括第三极化控制模块、第四极化控制模块、第三复系数FIR滤波器、第四复系数FIR滤波器、发射极化形成模块和发射极化选择模块；

数字波束形成处理单元产生两路基带I/Q信号；

第一路基带I/Q信号中：I路数据依次通过第三复系数FIR滤波器、插值滤波器一和低通滤波器五，传输给第三极化控制模块，Q路数据依次通过第三复系数FIR滤波器、插值滤波器二和低通滤波器六，传输给第三极化控制模块，第三极化控制模块的I路信号输出端和Q路信号输出端均与发射极化形成模块连接；

第二路基带I/Q信号中：I路数据依次通过第四复系数滤波器、插值滤波器三和低通滤波器七，传输给第四极化控制模块，Q路数据依次通过第四复系数滤波器、插值滤波器四和低通滤波器八，传输给第四极化控制模块，第四极化控制模块的I路信号输出端和Q路信号输出端均与发射极化形成模块连接；

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成数字极化重构控制指令，用于控制两路基带I/Q信号的相位差，并保证每一路基带I/Q信号中，I路数据和Q路数据的相位差为90度，实现天线在数字域的发射极化重构。

其中，所述发射极化形成模块包括加法器三和加法器四，所述加法器三的输入端分别与第三极化控制模块的I路信号输出端和Q路信号输出端连接，加法器三的输出端与发射极化选择模块连接；所述加法器四的输入端分别与第四极化控制模块的I路信号输出端和Q路信号输出端，加法器四的输出端与发射极化选择模块连接。

在上述实施例中，所述的第一极化控制模块、第二极化控制模块、第三极化控制模块和第四极化控制模块均包括相同的相位参数控制器件；

所述相位参数控制器件包括第一混频器、第二混频器和数字控制振荡器NCO，所述第一混频和第二混频器的第一个输入端分别接入待处理信号，所述数字控制振荡器NCO的信号输入端接入本振信号，数字控制振荡器NCO的信号输出端分别与第一混频和第二混频器的第二个输入端，所述数字控制振荡器NCO的控制输入端与天线重构管理单元连接，由第一混频器和第二混频器的输出端进行相位参数控制器件的信号输出。

在接收极化重构单元中，天线重构管理单元发送控制指令给第一极化控制模块和第二极化控制模块，以实现在I/Q信号转换控制的同时，对天线垂直极化信号与天线水平信号之间的相位差进行控制，设天线垂直极化信号的初始相位为θ₁，天线水平极化信号的初始相位为θ₂；当控制时，即可实现右旋圆极化接收重构；当控制时，即可实现左旋圆极化接收重构；进一步地，当控制θ₁-θ₂＝0时，还可实现45°斜极化接收重构；当控制θ₁-θ₂＝π时，还可实现-45°斜极化接收重构，通过接收极化选择模块即可选择对应的接收极化信号，传输给数字波束形成处理单元；

在发射极化重构单元中，天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成数字极化重构控制指令，用于控制两路基带I/Q信号的相位差，并保证每一路基带I/Q信号中，I路数据和Q路数据的相位差为90度，实现天线在数字域的发射极化重构：

设第一路基带I/Q信号的相位为θ₃，第二路基带I/Q信号的相位为θ₄，通过发射极化选择模块输出两路信号，经DA转换后分别送至双极化天线的天线垂直线极化(V)支路和水平线极化(H)支路，当控制时，即可实现右旋圆极化发射重构；控制时，即可实现左旋圆极化发射重构；进一步地，控制θ₃-θ₄＝0时，还可实现45°斜极化发射重构；控制θ₃-θ₄＝π时，还可实现-45°斜极化发射重构；更进一步地，若要实现水平极化的发射重构，则发射极化选择模块输出信号经DA转换后，仅输出至双极化天线的水平线极化(H)支路，若要实现垂直极化的发射重构，则发射极化选择模块仅输出信号至双极化天线的垂直极化(H)支路。

所述的数字波束方向图重构步骤S6包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成数字波束方向图重构指令，发送给数字波束形成处理单元，对不同波束进行数字移相处理，调整参与射频收发的天线阵元数目和阵元激活图案，形成相应的数字波束，实现数字波束方向图重构；

在天线阵列中，天线阵元就是小天线，将多个阵元按一定规则排列在天线面上形成阵列天线，阵元信号经波束合成，形成高增益天线，当变换天线阵面的有效工作面积，调整每个阵元增益，就可实现波束重构；在本申请的实施例中，可以由外部信号处理机根据目标信号，估计天线最佳波束方向图，发送管理控制命令给天线重构管理单元，由天线重构管理单元控制数字波束形成控制单元调整有效阵元数目和阵元增益，再数字波束形成，进而实现方向图重构。

在本申请的实施例中，天线工作状态如图8所示，包括初始化状态、待机状态和工作状态三种。天线设备上电后进入初始化状态，并启动设备自检，自检结束后进入待机状态；在待机状态下，等待天线外部控制命令，当接收到外部控制命令后进入工作状态；在工作状态下，根据天线外部控制命令，分配任务波束，当全部任务波束执行结束后进入待机状态重新等待外部命令，在工作状态中，若收到自检命令或检测到设备健康报警则转入初始化状态。

在本申请的实施例中，可重构天线工作状态工作流程如图9所示：

在天线工作状态下，首先接收控制命令T1(覆盖空域重构)并完成配置，在命令T1完成配置的基础上，接收控制命令T2(天线工作模式重构)并完成配置。然后接收控制命令T3(工作频率重构)、控制命令T4(波束数量重构)、控制命令T5(数字处理极化重构)和控制命令T6(数字波束方向图重构)，完成配置后以多目标/多波束间“最小干扰”为评估原则进行干扰水平和资源冲突评估，基于评估结果进而对天线工作频率、波束数量、波束方向图进行再次重构，不断迭代，达到天线最佳性能。如上所述干扰水平和资源冲突评估原则以“最小干扰”作为示例，包括但不仅仅是这一种原则。

在本申请的实施例中，所述天线工作模式重构步骤S2还包括：

天线重构管理单元生成数字补偿控制指令，控制数字波束形成处理单元在不同工作模式下对波束的相位参数进行数字补偿，所述相位参数为包括指向、频率、阵元坐标的三维函数；

所述FDD工作模式下，收发阵元集合的选取以栅瓣性能和阵列增益进行优化，包括以下两种情况；

第一，基于栅瓣性能的收发状态重构：如图10所示，配置天线阵列一部分连续区域的双极化天线阵元及其对应的射频收发组件处于接收模式，另一部分连续区域的双极化天线阵元及其对应的射频收发组件处于发射模式；

第二，基于合成增益均衡的收发状态重构：如图11所示，配置天线阵列内各个双极化天线阵元及其对应的射频收发组件，在接收模式和发射模式上交叉工作。

在本申请的实施例中，外部信号处理机可以根据目标信息，来生成管理控制命令，发送给重构管理单元，天线重构管理单元通过解析外部的管理控制命令，对智能天线的覆盖空域、波束数量、工作频率、方向图、极化模式和工作模式进行重构控制；

其中，所述的目标信息包括：目标标识信息、目标服务信息、目标特征；目标标识信息包括：目标类型、目标数目、目标身份编号、目标进入时间、目标初始位置、任务代号、任务参数等；目标服务信息包括：服务需求、业务数据等；目标特征包括：目标信号特征、目标空间物理特征、其中，空间物理特征包括目标运动轨迹、距离、速度、方位角和俯仰角等；

外部信号处理机还能够分析目标信息，尤其是目标数量、目标的距离、目标信号功率以及方位角和俯仰角信息，得到所需天线的波束数量、波束方向图等，向天线重构管理单元发送重构指令，由天线重构管理单元控制参与合成的天线阵元数目和对应的射频收发组件数目，并据此实现调整T/R组件参数，对智能天线进行重构。

在本申请的实施例中，外部信号处理器可以基于目标动态跟踪信息实现波束动态重构：在工作过程中，外部信号处理机动态跟踪目标的下行信息或反射信息，根据目标运动轨迹、信号频谱、信噪比变化，分析得到所需波束的最佳方向图、带宽、接收增益或发射功率，并生成管理控制命令，发送给天线重构管理单元，天线重构管理单元对管理控制命令进行解析后，调整参与合成的天线阵元和对应的射频收发组件相关参数，进行波束动态重构。

在本申请的实施例中，可重构智能天线具有很好的扩展性，多个可重构智能天线可以进行协同工作，与信号处理机一起构成天线的信号处理系统。

综上，本发明能够在工作过程中，基于外部的控制命令，完成天线的工作模式、收发波束和极化模式重构，以适应不同情况下的数据传输需求，进而使得智能天线多功能化，在无线网络体系中具有良好的应用前景。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。例如所述模块的划分，为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，可以结合或者可以分离，或一些特征可以忽略，或不执行；可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可重构智能天线，其特征在于：包括类球形天线阵列、射频收发设备和信号预处理设备；所述类球形天线阵列包括多个双极化天线阵元、所述射频收发设备包括多个射频收发组件；双极化天线阵元与射频收发组件数目相同且一一对应连接；

所述信号预处理设备包括数字波束成形处理单元、天线重构管理单元、多个数字极化重构单元和多个数字化处理单元；所述数字化处理单元与射频收发组件与射频收发组件数目相同且一一对应连接，每一个数字化处理单元均对应一个数字极化重构单元，且通过对应的数字极化重构单元连接到数字波束成形处理单元；所述天线重构管理单元分别与波束成形处理单元、射频收发组件和数字极化重构单元连接；

所述天线重构管理单元，用于接收外部信号处理机的管理控制命令，对智能天线的覆盖空域、波束数量、工作频率、方向图、极化模式和工作模式进行重构控制；

所述射频收发组件，根据天线重构管理单元的指令，进行射频收发切换和选频滤波，实现工作模式和工作频率的重构；

所述数字波束形成处理单元，根据天线重构管理单元的指令，实现收发波束的数量重构、方向图重构和覆盖空域重构，并在不同的工作模式下对波束的相位参数进行数字补偿；

所述数字极化重构单元，根据天线重构管理单元的指令，在进行信号发送或信号接收时，于数字域完成对波束的极化方式重构，并选择一种极化方式进行信号输出，实现极化方式的重构。

2.根据权利要求1所述的一种可重构智能天线，其特征在于：所述信号预处理设备还包括数据接口和时钟单元，所述数据接口，用于供数字波束成形处理单元连接外部信号处理机，实现数字波束成形处理单元与外部信号处理机的数据交互；所述时钟单元，分别与射频收发设备和信号预处理设备连接，用于完成外部参考时钟的接收，并产生所需要的收发本振、采样时钟以及系统处理时钟。

3.根据权利要求1所述的一种可重构智能天线，其特征在于：所述类球形天线阵列包括但不限于球形天线阵列、半球形天线阵列、半球形与柱形结合的天线阵列、平滑曲面天线阵列以及多边形拼接成的网格曲面天线阵列。

4.根据权利要求1所述的一种可重构智能天线，其特征在于：所述天线重构管理单元包括：

指令解析模块，用于接收和解析外部信号处理机的管理控制命令，生成天线覆盖空域重构控制指令、波束数量重构控制指令、工作频率重构控制指令、方向图重构控制指令、极化模式重构控制指令和工作模式重构控制指令；

工作模式重构管理模块，用于将工作模式重构控制指令发送给射频收发设备中的各个射频收发组件，控制各射频收发组件的射频收发切换，从而控制整个天线阵列和射频收发设备的工作模式，同时将工作模式重构控制指令发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元在不同工作模式下对波束的相位参数进行数字补偿；

工作频率重构管理模块，用于将工作频率重构控制指令发送给射频收发设备中的各个射频收发组件，在射频收发组件中基于选频滤波进行工作频率重构进行控制；

波束数量重构管理模块，用于将波束数量重构控制指令发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元对不同波束的幅相加权系数进行配置和选择，同时分配对应波束加权处理所需资源，实现波束数量的重构和扩展；

方向图重构管理模块，用于将方向图重构控制指令发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元对不同波束进行数字移相处理，并选择天线阵元进行射频收发，实现方向图重构；

天线覆盖空域重构管理模块，用于将方向图重构控制指令发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元对类球型天线阵列的天线阵元进行选通，实现全空域或部分空域的信号收发，完成天线覆盖空域的重构；

极化模式重构管理模块，用于将极化模式重构指令发送给数字极化重构单元，控制数字极化重构单元实现极化方式的重构。

5.根据权利要求1所述的一种可重构智能天线，其特征在于：所述射频收发组件包括射频通道单元和工作频率重构单元，所述双极化天线阵元依次通过对应射频收发组件的射频通道单元和工作频率重构单元与数字化处理单元连接；所述天线重构管理单元分别与射频收发组件的射频通道单元和工作频率重构单元连接，实现射频通道的收发切换控制和工作频率重构控制；

所述射频通道单元包括射频发射通道、射频接收通道、第一收发切换模块和第二收发切换模块，所述射频发射通道的输入端通过第二收发切换模块连接工作频率重构单元，射频发射通道的输出端通过第一收发切换模块连接天线阵元；所述射频接收通道的输入端通过第一收发切换模块连接天线阵元，射频接收通道的输出端通过第二收发切换模块连接工作频率重构单元；所述天线重构管理单元分别与第一收发切换模块和第二收发切换模块连接，实现射频收发切换控制；

所述工作频率重构单元包括第一滤波选择模块、第二滤波选择模块、陷波滤波器组和子带滤波器组，所述子带滤波器组包括多个不同频带的子带滤波器，所述陷波滤波器组包括两个陷波滤波器，其中一个陷波滤波器用于在射频接收过程中，对发射频段进行抑制，另一个陷波滤波器用于在发射过程中，对接收频段进行抑制；每一个所述陷波滤波器和子带滤波器均通过第一滤波选择模块与射频通道单元连接，每一个所述陷波滤波器和子带滤波器还通过第二滤波选择模块与数字化处理单元连接；所述天线重构管理模块分别与第一滤波选择模块和第二滤波选择模块连接，实现陷波滤波器和各子带滤波器的选择控制。

6.根据权利要求1所述的一种可重构智能天线，其特征在于：所述数字化处理单元包括ADC模块和DAC模块，所述ADC模块的输入端与对应射频收发组件中的工作频率重构单元连接，ADC模块的输出端与对应的数字极化重构单元连接；所述DAC模块的输入端与对应的数字极化重构单元连接，DAC模块的输出端与对应射频收发组件中的工作频率重构单元连接。

7.如权利要求1~6中任意一项所述的一种可重构智能天线的重构方法，其特征在于：包括以下步骤：

天线重构管理单元接收外部信号处理机的管理控制命令；

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，并根据解析结果进行智能天线重构，所述的智能天线重构包括：覆盖空域重构步骤S1、天线工作模式重构步骤S2、工作频率重构步骤S3、波束数量重构步骤S4、数字极化重构步骤S5和数字波束方向图重构步骤S6。

8.根据权利要求7所述的一种可重构智能天线的重构方法，其特征在于：所述的覆盖空域重构步骤S1包括：

天线管理重构单元对管理控制命令进行解析，得到天线覆盖空域重构控制指令，确定所需的天线阵元数目和区域，对类球型天线阵列的相应天线阵元进行选通，实现全空域或部分空域的信号收发，完成天线覆盖空域的重构；

所述天线工作模式重构步骤S2包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成通道收发切换的控制指令，发送给射频收发组件中的射频切换开关，控制所有射频收发组件进行收发切换，进而使得整个天线阵列和射频收发设备在TDD工作模式和FDD工作模式进行工作：

TDD工作模式下：在同一时刻，天线重构管理单元控制所有的射频收发组件处于相同的收发状态，所述相同的收发状态，即所有射频收发组件同时处于射频发射状态，或所有射频收发组件同时处于射频接收状态；由于天线阵元与射频收发组件数目相同且一一对应连接，故所有天线阵元也处于相同的收发状态；

FDD工作模式下：在同一时刻内，天线重构管理单元控制一部分射频收发组件处于射频发射状态，对应的一部分天线阵元也工作在发射模式；另一部分射频收发组件处于射频接收状态，对应的另一部分天线阵元也工作在接收模式；

所述的工作频率重构步骤S3包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成工作频率重构的控制指令，发送给每一个射频收发组件中的工作频率重构单元，在TDD工作模式和FDD工作模式下，控制工作频率重构单元完成工作频率的重构：

TDD工作模式下，天线重构管理单元控制所有射频收发组件，在工作频率重构单元中选通相同频率的子带滤波器，完成信号的滤波；

FDD工作模式下，天线重构管理单元控制射频接收状态和发射状态下的射频收发组件，在工作频率重构单元中选通陷波滤波器，对收发通道之间的干扰进行抑制；

所述波束数量重构步骤S4包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成波束数量重构指令，发送给数字波束形成处理单元，控制数字波束形成处理单元对不同波束的幅相加权系数进行配置和选择，同时分配对应波束加权处理所需资源，实现波束数量的重构和扩展；述波束加权处理所需资源包括加法器和乘法器构成的硬件逻辑资源；

所述数字极化重构步骤S5包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成数字极化重构控制指令，发送给数字极化重构单元，控制数字极化重构单元在进行信号发送或信号接收时，于数字域完成对波束的移相合成和极化控制，并选择一种极化方式进行信号输出，实现极化方式的重构；

所述的数字波束方向图重构步骤S6包括：

天线重构管理单元对管理控制命令进行解析，生成数字波束方向图重构指令，发送给数字波束形成处理单元，对不同波束进行数字移相处理，调整参与射频收发的天线阵元数目和阵元激活图案，形成相应的数字波束，实现数字波束方向图重构。

9.根据权利要求7所述的一种可重构智能天线的重构方法，其特征在于：所述天线工作模式重构步骤S2还包括：

天线重构管理单元生成数字补偿控制指令，控制数字波束形成处理单元在不同工作模式下对波束的相位参数进行数字补偿，所述相位参数为包括指向、频率、阵元坐标的三维函数。

10.根据权利要求7所述的一种可重构智能天线的重构方法，其特征在于：所述FDD工作模式下，收发阵元集合的选取以栅瓣性能和阵列增益进行优化，包括以下两种情况；

第一，基于栅瓣性能的收发状态重构：配置天线阵列一部分连续区域的双极化天线阵元及其对应的射频收发组件处于接收模式，另一部分连续区域的双极化天线阵元及其对应的射频收发组件处于发射模式；

第二，基于合成增益均衡的收发状态重构：配置天线阵列内各个双极化天线阵元及其对应的射频收发组件，在接收模式和发射模式上交叉工作。